忆阻切换电极驱动的微型OLED：面向紧凑显示构型的创新集成策略

本文创新性地将二维材料（MoS2）基忆阻器（Memristor）集成至有机发光二极管（OLED）电极中，开发出兼具电阻切换（RS）、反射电极与突触功能的多功能忆阻电极（MME）。该结构无需额外开关元件即可实现像素独立寻址，显著提升了显示集成密度与能效，为高分辨率紧凑型显示及神经形态视觉系统提供了新范式。

　　

引言：高分辨率显示技术的创新需求

随着头戴式显示（HUD）和增强现实/虚拟现实（AR/VR）系统对高分辨率显示需求的持续增长，实现微型化像素集成及光电计算一体化已成为消费电子领域的核心研究方向。有机发光二极管（OLED）凭借高亮度、低功耗和超薄形态等优势，被广泛应用于电视、显示器和智能手机等设备。其中，顶发射OLED（TEOLED）因其接近100%的孔径比和优异的抗光热稳定性，展现出显著优势。然而，传统电极设计多聚焦于提升光电特性（如透射率、反射率和导电性），难以满足未来高密度、多功能显示技术对电极切换能力、计算潜力和机械柔性的多维需求。

忆阻电极的集成创新与工作机制

本研究提出了一种基于二硫化钼（MoS₂）的忆阻电阻切换（MemRS）反射电极结构（Ag/MoS₂/Ag），通过射频（RF）溅射工艺制备，无需退火步骤，工艺简单且成本低廉。该电极同时具备电阻切换功能、高反射特性（92.5%–93.8%）和突触行为模拟能力，可作为OLED的阳极电极，通过其电阻状态（高阻态HRS和低阻态LRS）控制电流注入，实现像素的独立开关操作。

忆阻器的切换机制源于导电细丝（CFs）的形成与溶解过程。通过调控硫空位（SVs）与银离子（Ag⁺）的迁移与锚定，实现了稳定的双极性和单极性电阻切换行为。XPS分析证实MoS₂薄膜中Mo:S原子比为1:1.13，硫空位的存在显著增强了切换性能。导电原子力显微镜（C-AFM）进一步验证了细丝型切换模型，在低阻态（LRS）下观察到明确的导电区域，而高阻态（HRS）下电流可忽略不计。

性能表征：从电学特性到光学增强

该忆阻电极表现出优异的电阻切换特性：开关比≈10?，操作电压低至3.7 V，数据保留时间≈10? s，耐久性≈10?次循环。通过脉冲测试验证了其快速响应能力（上升/下降时间200 ns），满足60 Hz以上刷新率的显示需求。此外，电极的高反射率提升了OLED的光提取效率和色纯度，同时其高电导率降低了驱动电压和功耗，延长了器件寿命。

在突触可塑性方面，该电极成功模拟了生物突触功能，如双脉冲易化（PPF）和长时程增强（LTP），为神经形态视觉应用奠定了基础。多层MoS₂结构不仅提供了高电子迁移率和电流承载能力，还通过可调电阻状态实现了多级亮度控制（LRS 1至LRS 3），适用于模拟灰度调制和高分辨率驱动。

OLED集成与阵列演示

将MME集成至顶发射OLED结构中，形成了忆阻驱动OLED阵列。器件开启电压为3.5 V，在10 V驱动下亮度≥1200 cd m^?2。与基于银电极的参考器件相比，MME-OLED的外量子效率（EQE）提升12.9%（最高12.45%），电流效率和功率效率分别达到11.64 cd A^?1和10.5 lm W^?1。阵列测试表明，通过调节驱动电压（4–9 V）可实现可区分的发射强度调控，最高亮度达936.95 cd m^?2，满足实际显示需求。

耐久性测试显示，经过10?次切换循环后，OLED的关键光电参数（如亮度、EQE、电流效率）仅出现轻微衰减（<3.1%），电致发光（EL）光谱峰值偏移小于1 nm，表明器件具有优异的操作稳定性。截面TEM和AFM分析证实，有机发射层与电极界面未出现明显的金属离子扩散或结构降解，MoO₃和mCP界面层有效抑制了化学与物理退化途径。

结论与展望

本研究成功将忆阻器与OLED电极集成，开发出具备自驱动开关功能的多功能OLED架构。该设计不仅简化了驱动电路（无需额外电容和晶体管），还显著提升了像素集成密度和能效。忆阻电极的电阻切换特性与突触行为为高分辨率显示、神经形态计算和紧凑型集成系统提供了新的技术路径，有望推动下一代显示技术的创新发展。

实验方法

忆阻电极采用光刻与RF溅射工艺制备，OLED层通过热蒸发沉积。电学与光学性能使用半导体参数分析仪（Keithley 4200A）和光谱辐射计（CS-2000）表征。材料分析借助XPS、TEM和EDS完成。所有测试在室温下进行，柔性基板实验进一步验证了器件的机械稳定性。